糖尿病是一种以血液中葡萄糖浓度升高为特征的代谢性疾病,主要可以分为Ⅰ型糖尿病、Ⅱ型糖尿病、其他特殊类型糖尿病及妊娠期糖尿病,影响着全球数以百万计的人。在Ⅰ型和Ⅱ型糖尿病中,遗传和环境因素可导致β细胞功能下降甚至丧失,可导致高血糖症。长期高血糖可能会导致器官衰竭和组织损伤,引起多种并发症,如失明,心血管疾病和肾衰竭等。对于有典型症状的患者,测定血糖足以诊断糖尿病,因此监测患者的血糖水平和及时的医疗控制对糖尿病患者至关重要。此外,葡萄糖浓度作为糖尿病患者健康指标的重要参数,将其稳定在适当的水平可以控制某些并发症的发生和发展。因此,准确、及时监测血糖浓度对糖尿病的预防和控制十分重要。纳米酶具有成本低、稳定性高、易于批量生产和存储等独特优势,被认为是极有应用前景的天然酶替代品。纳米酶在环境保护、生物传感、抗菌等方面得到了广泛的应用。目前开发出的纳米酶的成分主要为金属氧化物、碳材料、贵金属材料等。近年来,单原子纳米材料由于其高的原子利用率与优异的催化性能而引起了研究者们的广泛兴趣。单原子纳米酶（Single-atom nanozymes,SANs）是指在载体上负载稳定的单个原子形式的催化剂,其具有类似酶的高效催化活性。单原子催化领域的代表性体系是过渡金属原子分散在氮掺杂碳基质上,例如原子级的Fe锚定在氮掺杂的碳基质上,而Fe-Nx作为催化活性中心具有与天然的过氧化物酶相似的结构。因此Fe-N-C也显示出类过氧化物酶的催化活性,已被广泛应用于过氧化氢（H2O2）和葡萄糖的检测。然而,由于活性单金属原子在制备或后续的应用中具有很强的迁移和聚集趋势,容易导致SANs催化性能下降甚至失活,因此在合适的载体上支撑单分散原子是增强SANs活性的理想解决方案。基于以上研究背景,本论文构建了一种氮掺杂多孔碳负载铁单原子（Fe single atoms in 3D porous N-doped carbon aerogels,NCAG/Fe）的纳米酶。NCAG/Fe纳米酶通过多层三维氮掺杂的多孔碳气凝胶作为支撑载体,借助其较大的表面积、丰富的传质通道,增加了铁的负载量,增强了SANs的稳定性,并将其分别应用于荧光生物传感和电化学生物传感平台对葡萄糖进行双平台定量检测。具体的工作内容如下:第一部分:NCAG/Fe纳米酶的制备及用于荧光法检测葡萄糖本章中我们成功制备并表征了NCAG/Fe纳米酶,并用于荧光传感平台对H2O2和葡萄糖进行高灵敏检测,最后成功应用于临床样品分析。NCAG/Fe纳米酶的制备是将二氧化硅（Si O2）纳米颗粒和Fe（PM）32+复合物在-20°C下反复冻融,得到明胶-锌水凝胶,随后通过热解和酸蚀获得NCAG/Fe。我们使用扫描电子显微镜（SEM）,透射电子显微镜（TEM）、扫描透射电子显微镜（STEM）、X射线光电子能谱（XPS）、X射线衍射仪（XRD）和元素分布图像对制备的NCAG/Fe进行表征,其结果均证明了NCAG/Fe纳米酶的成功制备。为了考察其类过氧化物酶活性,我们随后使用荧光光谱法证明其催化H2O2的可行性。采用邻苯二胺（OPD）作为底物,当反应体系中存在H2O2和NCAG/Fe时,我们观察到了明显的荧光信号,证明了NCAG/Fe的类过氧化物酶催化活性。通过测量荧光信号可以实现H2O2的高灵敏检测。由于葡萄糖在葡萄糖氧化酶（GOx）的催化作用下可特异性生成H2O2,该方法可进一步应用于葡萄糖的检测。基于NCAG/Fe纳米酶的荧光法对葡萄糖的检测线性范围为0.02 m M至1m M,检测限约为3.1μM。此外,该传感方法具有良好的选择性,我们选择了几种干扰物质（果糖、麦芽糖、蔗糖、甘氨酸和常见无机离子）来测试它们是否会产生非特异性干扰。结果表明只有葡萄糖能产生显著的荧光响应,即使干扰物有较高的浓度（3 m M）,也未检测到明显的荧光信号。NCAG/Fe在区分葡萄糖和潜在干扰物方面具有良好的选择性可能归功于GOx的高度选择性。随后我们对实际样品进行了分析,使用NCAG/Fe纳米酶的荧光法对血清、模拟汗液与唾液中葡萄糖进行检测,并与商用血糖仪进行了比较,结果表明基于NCAG/Fe的荧光法能准确地检测血清、模拟汗液和唾液中的葡萄糖,且相对误差较小。这些结果表明,使用NCAG/Fe纳米酶的荧光法具有检测临床样品中血糖的潜力和实用价值。第二部分:基于NCAG/Fe纳米酶的电化学传感器用于葡萄糖检测单平台检测模式的检测准确性容易受到外部因素的干扰,如非标准的测试程序,不同的环境,甚至不同的操作人员。为了解决这一挑战,本章我们将NCAG/Fe纳米酶应用于电化学平台,构建了基于NCAG/Fe纳米酶的电化学葡萄糖传感器。我们首先将纳米复合材料修饰在玻碳电极表面,通过计时电流法对葡萄糖的检测进行了可行性分析。实验结果表明,在只有单独的玻碳电极存在的情况下,加入葡萄糖不会产生电流信号变化。当玻碳电极上修饰没有铁原子掺杂的NCAG时,加入葡萄糖只产生了较小的电流阶跃,而NCAG/Fe纳米酶修饰的电极加入葡萄糖后产生了明显的电流信号改变。这表明NCAG/Fe纳米酶的Fe N4位点在葡萄糖的电催化氧化过程中具有高度的活性。随后我们进行了灵敏度分析,结果表明NCAG/Fe纳米酶对葡萄糖检测的线性响应范围为2-2000μM,其检测限低至0.5μM。为了考察NCAG/Fe纳米酶的选择性,我们将NCAG/Fe纳米酶修饰在电极上,使用多种干扰物（多巴胺、L-抗坏血酸、氯化铵、L-谷氨酸、乳糖、尿酸和L-组氨酸）,来测试它们是否会产生非特异性信号。与葡萄糖响应的信号相比,干扰组分产生的信号变化可以忽略不计,这表明在电化学平台上NCAG/Fe纳米酶对葡萄糖检测具有优异的选择性。此外,我们还对基于NCAG/Fe纳米酶的电化学传感器稳定性进行了研究,结果表明在一周内NCAG/Fe纳米酶修饰的电极对100μM葡萄糖的电化学信号没有明显的下降,证明了NCAG/Fe纳米酶修饰的电极具有优异的稳定性。最后我们将NCAG/Fe纳米酶电化学传感器用于实际临床血清、模拟汗液与唾液样本中的葡萄糖检测。基于NCAG/Fe纳米酶的电化学传感器与商用血糖仪的检测结果相一致,这证明了该纳米酶传感器能准确地检测血清、模拟汗液与唾液样本中的葡萄糖。以上结果表明,NCAG/Fe可以作为一种可靠、低成本、高性能和高选择性的纳米酶用于荧光传感器和电化学传感器,实现双平台下实际临床样品中葡萄糖的检测。